スライド 1

Transcription

1 LIDAR の科学目標 並木則行 1, 水野貴秀 2, 平田成 3, 阿部新助 4, 池田人 2, 佐々木晶 5, 荒木博志 5, 松本晃治 5, 野田寛大 5, 石原吉明 5, 田澤誠一 5, 山田竜平 5, 岩田隆浩 2, 宮本英昭 6, 小林正規 1, 千秋博紀 1, 和田浩二 1, 押上祥子 7, 出村裕英 3 1 千葉工業大学, 2 ISAS/JAXA, 3 会津大学, 4 台湾国立中央大学, 5 国立天文台, 6 東京大学, 7 名古屋大学 2011 年 12 月 15 日神戸第 6 回はやぶさ 2 から考えるサイエンス研究会

2 LIDAR の科学目標 並木則行 1, 水野貴秀 2, 平田成 3, 阿部新助 4, 池田人 2, 佐々木晶 5, 荒木博志 5, 松本晃治 5, 野田寛大 5, 石原吉明 5, 田澤誠一 5, 山田竜平 5, 岩田隆浩 2, 宮本英昭 6, 小林正規 1, 千秋博紀 1, 和田浩二 1, 押上祥子 7, 出村裕英 3 ONC との協調 杉田精司, 中村良介ほか

3 奥州 東関東連合 ( 命名飯島祐一 ) 相模原潰して, 天下奪っちゃるけん!

4 はやぶさ 2 LIDAR 有効測距範囲 : 30 m 以上 ~ 20 km 以下 レンジ精度 ( ランダム (1s = 0.6 m) + バイアス誤差 ) 30 m: ±0.845 m 50 m: ±0.856 m 20 km: ±1.973 m 測距分解能 : 0.5 m 反射率分解能 : ± 18.8% データ更新レート : 1 Hz

5 ? LIDAR 観測とグランドヴ ィジョンのリンク (1) 小惑星探査の科学的意義 原始惑星系円盤 ~ 微惑星 ~ 小惑星へといたる遍程の missing piece を明らかにする. 隕石とリターンサンプルの違い. 微惑星 母天体 分化熱変性水質変性 軌道進化破壊 合体 表層進化 小惑星 鉱物組成同位体比 放出落下 隕石 宇宙塵 リターンサンプル

6 LIDAR 観測とグランドヴ ィジョンのリンク (2) 対象天体についての先験的情報 : 背景 i. 1999JU3 は軌道力学計算から, メインベルトの最内縁部から移動してきた可能性が高い. ii. iii. 最内縁部の collisional family の中で C 型小惑星は少ない.( 故郷の候補が絞り込みやすい ) 1993JU3 は地上スペクトル観測 ( 可視, 近赤外 ) から, 表面に大きな丌均質を晒している可能性が有る.( 衝突破壊の歴史を読み解くことが出来るかも知れない )

7 LIDAR 観測とグランドヴ ィジョンのリンク (3) LIDAR: バス機器 (AOCS サブシステム ) HW 設計変更は間に合わなくても運用でカバー 2 衝突破壊 合体のプロセスを含めた小天体物理進化の謎解き + Itokawa 探査の科学成果を発展させるリターンサンプルを活用するために何をすべきだったか? Rubble Pile 天体の実証 普遌性とバリエーション 空隙率の均一 / 丌均一性 小惑星ダストのその場観察 はやぶさサンプルの出自 Regolith の水平 鉛直混合 (regolith breccia 隕石 )

8 LIDAR 観測とグランドヴ ィジョンのリンク (4) (1) 1993JU3 の分光スペクトル観測 (AMICA, NIRS3, アルベド ) から,collisional family を同定する. (2) 形状と重力から空隙率の平均と偏りを決定し,rubble pile 天体の衝突破壊 合体の歴史を推定する. (3) リターンサンプルの宇宙線照射年代, 太陽風インプランテーションから軌道進化を制約する. その解釈に重要な小惑星ダストの移流 攪拌をその場観察する.

9 科学目標 : 微惑星から小惑星に至るまでの熱変成とそれに伴う物質進化の紐解き ミッション目標 ミッション要求 LIDAR 要求仕様 システム運用要求 Potenâl hazardous asteroid でもある 1993JU3 は潮汐力の影響を受け易く, 急斜面では地表更新が頻繁に起きて宇宙風化の著しいムラが生じている可能性が有る. ジオメトリックアルベドの測定により, これまで理解が遅れていた C 型小惑星の宇宙風化に関する知見が得られると期待. 全球で 1000 点以上の観測点分布. ジオメトリックアルベド ( 予想平均は 0.06~0.07, 変動幅はその 10% 程度 ) を数段階に分けて区別できること. Opposition 効果推定のために地形傾斜を数度の精度で推定する.( 参考資料課題 1 と 2) 1 Hz の観測レートで 15 min 分の観測を行うこと (1.5 年のノミナルミッション期間で達成可能であり, 現状の設計は要求を満たしている ) 送信光に対して 1% の変化を受信光で検出できること ( 参考資料課題 1 と 2). 試作機の試験で確認する. 小惑星自転は 7.6 hr 以上の観測を行うこと.( 現状のミッションシナリオで要求を満たしている ) ステレオカメラ接写による詳細地形モデル作成 接写回数は LIDAR アルベド測定結果による. アルベド変化量の大きな境界領域の接写を要望する ( 参考資料課題 1 と 2) ONC-T を使い, 衝効果を小惑星到着後のなるべく早い段階で観測すること. HP からの opposition 観測では探査機を移動させる必要有り. ( 参考資料課題 1 と 2)

10 Opposition 効果の 補正 佐々木, 阿部, 野田 Itokawa では, 岩塊の多い rough terrain が MUSES-Sea と同じかむしろ高い位相角依存性を示す. 岩塊表面の反射特性は粉体に近い.[Yokota et al., 2006] 第一の方針 : クローズアップ観測でのステレオ撮像 (ONC-T) を実施し,1 度以下の精度で微傾斜を実測する. LIDAR アルベドが変化している境界領域を狙って JU3 に近づき, ステレオ視で詳細な地形データを取得. 精度を要確認 第二の方針 : 衝効果を小惑星到着後のなるべく早い段階で観測 (ONC-T) する. HPからのopposition 観測では探査機を移動させる必要が有る. シナリオを要確認 ( 左 ) 位相角 35 度,( 右 )10 度

11 科学目標 : 衝突破壊 合体のプロセスを含めた小天体物理進化の謎解き (1) ミッション目標 ジオメトリックアルベド測定から炭素質 / シリケイトの混合比が空間的に変化するプロファイルを調べ, regolith の混合遍程を制約する. (AMICA,NIRS3 との共同観測項目 ) ミッション要求想定される丌均一 ( 全表面積の 15% 程度 ) 中で 100 点以上の観測データ. アルベドを 10% 以下の精度で区分できること. LIDAR 要求仕様 1 Hz の観測レートで 15 min 分の観測を行うこと (1.5 年のノミナルミッション期間で達成可能であり, 現状の設計は要求を満たしている ) LIDAR は送信光と受信光の比を左記の精度で観測できること. システム運用要求 小惑星自転は 7.6 hr 以上の観測を行うこと.( 現状のミッションシナリオで要求を満たしている ) 試験で温度較正パラメータを取得する.

12 科学目標 : 衝突破壊 合体のプロセスを含めた小天体物理進化の謎解き (2) ミッション目標 空隙率の平均値を計測する. Itokawa の成果 (rubble pile の実証 ) を補完し, Eors,Mathilda の観測結果と合わせて, 空隙率の変動から小惑星進化を考察する. ミッション要求 形状ステレオカメラによる DEM 作成の前に, 高度精度 5m 以内のコントロールポイントを確立する. LIDAR 要求仕様 システム運用要求 5 m 以下のレンジ精度. 探査機軌道伝搬誤差が 3 cm/s の場合は 150 秒間,3 mm/s の場合は 1500 秒間, 軌道制御を行わずにスキャン観測を実施する. ( 参考資料課題 3 と 4) スキャン観測はグローバルマッピングを完了するまで続ける. 即ち, 緯度線方向に自転周期の数回分と, 経線方向に数周回. RW が冗長であること. 光学航法 1 画像 /2 min. 空隙率の平均値を計測する. C 型隕石の coherent 密度は多様 (1000 ~ 4000 kg/m 3 ) である. リターンサンプリングから Coherent 密度を計測する. ONC-T とのアラインメント要求 Preflight 0.6 度以内であること.Inflight で 50 回の limb 観測を実施すること ( 参考資料課題 5). 現状予定のサンプル総量から測定可能

13 形状決定のシナリオ : コ ントロールポイント 池田, 松本 小惑星, 探査機, ともに 1~10 km の位置誤差 Itokawa 観測 (RW 故障 ):LIDAR データとステレオ地形の間で複数回のイタレーション RW 正常 : 軌道 姿勢制御を実施せずに軌道伝搬誤差を抑制する運用要求 LIDAR データとステレオ地形の対応のためにアラインメント要求 1~10 km } 3~30 mm/s ランダム誤差 0.6 m

14 ONC/LIDAR アラインメ ント 1. LIDAR と ONC-T (AMICA) とのアラインメント ( 打ち上げ後の変動を含む )= 0.6º ( 第 8 回設計会議資料 /2 表 6.7 より算出 ) 2. LIDAR の footprint size = 0.057º 3. ONC-T の pixel size = º 4. 姿勢制御精度 姿勢制御精度 (3s): 0.1º 姿勢安定度 (5 秒間 )(3s): 0.02º 姿勢安定度 (1 秒間 )(3s): 0.005º 姿勢変動速度幅 : 0~0.3º/s( 各軸 ) ( はやぶさ 2 ミッションシナリオ p. 44, はやぶさ実績に基づく ) Limb 観測で,footprint を確定 ( 横方向 20 枚, 縦方向 20 枚 )

15 科学目標 : 衝突破壊 合体のプロセスを含めた小天体物理進化の謎解き (3) ミッション目標 空隙率の偏りを計測する. Itokawa の成果 (rubble pile の実証 ) を発展させる. Rubble pile 小惑星の再集積の実証. ミッション要求 形状中心と重心のずれを 10 m 以下の精度で推定する. ( 参考資料課題 6) 可能であれば 2 次の重力係数. 自転軸と慣性主軸のずれを 1 度以内の精度で計測する. LIDAR 要求仕様 システム運用要求 5 m 以下のレンジ精度. 小惑星近傍 ( 距離 =20~ 1.5 km) での無制御の弾道飛行を 4 回以上実施すること.( 参考資料課題 3 と 4) 上昇 降下のいずれの方向でも可. 弾道飛行経路は小惑星形状による. 現状のグローバルマッピング (HP から全周観測 ) で, 要求を満足している. ( 参考資料課題 7) 1999JU3 がモノリシック, または枯渇彗星であった場合の確定. 平均密度を 1000 kg/m3 の精度で決定.

16 池田, 並木 簡単な二球の組み合わせから, 重心ずれの観測目標を設定 10 m 以下 シミュレーション計算で必要回数を推定 2 パス :41 m 4 パス :11 m 6 パス :3 m 落下, 打ち上げは問わない 降下温度条件緩, リスク回避制御 上昇温度上昇厳, リスク少 自由落下実験への 要求

17 科学目標 : 衝突破壊 合体のプロセスを含めた小天体物理進化の謎解き (4) ミッション目標 ミッション要求 LIDAR 要求仕様 システム運用要求 浮遊ダストの水平移流を観察する. 小惑星だからこそダストのその場観察.(Itokawa サンプルの出自に関わる問題, 且つ表層進化の主要プロセス ). レーザ散乱光によるレビテーションダストの発見 空間密度として 1 個 /cm 3 以上の感度 ( 参考資料課題 12) ダスト空間密度の地域差を観測する. 精度, 空間分解能は要検討 ( 並木 ) 受光の閾値とアンプのレベルを変更できること. 積算回数と APD の雑音, 量子効率への要求要確認 ( 小林 ) FPGA ソフトを書き換えて段階的受信レベル変更を可能にすること. 探査機軌道伝搬誤差が 3 高度 300 m 付近での観測実施. 要確認 ( 小林, 千秋 ) 要確認 ( 小林 ) Nadir 観測. 衝突実験前後でのダスト空間密度分布の時間変化. 精度, 空間分解能は要検討 ( 並木 ) Minerva II との同時観測 夜昼境界の観測.

18 ダスト観測の検討 押上, 小林, 和田, 千秋 表層進化に有意なダスト空間密度の見積もり クレーター生成に影響しうるフラックス 1 個 /cm 3 以上の感度 ライダー方程式による受信光強度の見積もり ( ただし,APD の雑音レベルに強く依存 ) 単一光子検出 ( シングルフォトンカウンティング )

19 次回 LIDAR 会合議題 (1) LIDAR 検証計画 LALT で行った試験項目と試験時の問題点のリストアップ ( 荒木, 田澤 ) アルベド測定のための試験概要, 特に受信レベルの温度較正 ( 佐々木, 阿部, 野田 ) limb 観測 ( 地形傾斜が大きい ) のための試験 ( 並木, 平田 ) ダスト観測のための試験項目 ( 千秋, 小林, 和田 ) (2) 他機器と共通の科学目標探査機の軌道決定, 小惑星の軌道決定をシステムの誰が担当しているのか確認, 特にスキャン観測の実現性 ( 池田 ) はやぶさ の小惑星地形学 ( 押上, 宮本 )

20 経遍 10 月メンバー拡充 PI 交代 10/14, 17 LIDAR チーム会合科学目標再検討 10/18 サイエンス会議 #7 10/20 理学委員会 ~11/1 設計フロー作成 11/2 LIDAR 開発会議 11/4 ミッション運用要求をミッション系に送付 11/14 開発会議 ( 追加 ) 11/15 太陽系科学シンポ ~ 11/18 開発会議 A/I(LIDAR 寿命, 受信閾値 ) について開発者に回答 11/25 AOCS( 含む LIDAR) CDR 延期 (1 月末 ) 12/14 サイエンス会議 #8 12/20, 22 LIDAR チーム会合 LIDAR 検証計画他機器と共通の科学目標 12/26 システム CDR 延期 (2 月 ) 試験準備 ( 試料など ) 2012/5 月 LIDAR 試験地上観測ミッションシナリオ検討 (LIDAR 固有, 機器間 )